CN114018541B - 一种适用于动态体系的全流场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于动态体系的全流场测量系统，属于流体力学实验技术领域。该系统包括横向移动支撑板、横向连接板、纵向移动螺纹杆、相机电机、电机支撑架、纵向移动滑块、纵向移动滑块锁紧装置、相机运动角度传感器、相机固定支架、相机、试验模型电机、试验模型角度传感器、涡轮螺杆机构、六轴力传感器、试验模型运动传动模块等。通过设置相机电机和试验模型电机双向控制，实现相机和试验模型的同步运动，进而可实现在相对运动坐标系下流场信息的获取。

Description

一种适用于动态体系的全流场测量系统

技术领域

本发明涉及流体力学实验技术领域，具体涉及一种适用于动态体系的全流场测量系统。

背景技术

在航空航天领域，为了避免动力失速、结构上颤振和共振，振荡翼型的动态特性受到越来越多的重视。在水力机械研究中，旋转产生的附加作用力以及动静部件的扰动对湍流过程、边界层的发展、流动结构的时空分布有着重要的影响，非转动/转动部件的流场相互干扰的物理机制一直是研究的重点和难点。在螺旋桨、涡轮泵、水轮机启停机、飞逸、增减负荷等瞬态过程中，暂态过程瞬变流动会使升力面的有效攻角发生改变，其内部流动复杂多变，呈现出强烈的不稳定性。因此，了解物体在动态变化下非稳态水动力载荷和振动的变化，对了解水力机械瞬态过程非定常流动机理及动力特性，优化水力机械的设计，提高水力性能有着重要的意义。

高速全流场显示技术是获取流场信息的重要试验手段，并被广泛应用于流体实验测量研究中。高速全流场显示技术的工作原理主要是利用高速相机对流动现象进行拍摄，并针对拍摄图片进行定性分析。然而，目前在高速全流场测量实验中，高速相机往往是固定不动的；当应用于动态边界流场时，尤其对于复杂空化流动，空穴时空位置的获取往往存在误差，不够精确，且无法获取相对运动坐标系下的流场信息。发明专利CN201620509462.0公布了一种叶片空气流场测试装置，其特征在于：包括烟雾输出设备和摄像设备，摄像设备用于拍摄烟雾输出设备输出的烟雾在叶片表面的流动图像；其中，摄像设备固定在叶片上；烟雾输出设备包括第一烟雾输出机构；第一烟雾输出机构固定设置在叶片沿转动方向上的前缘处，由第一烟雾输出机构排出的烟雾可沿叶片的压力面和吸力面中的至少一个流动。虽然上述专利可获取相对坐标下的流场信息，但是应用于复杂空化实验时，相机无法放置在水翼模型上。

因此，目前亟需一种适用于动态体系的全流场测量系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于动态体系的全流场测量系统，能够提高动边界绕流实验测量精度，并实现在相对运动坐标系下流场信息的获取。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：该系统包括横向移动支撑板、横向连接板、滑块固定螺栓、纵向移动螺纹杆、相机电机、电机支撑架、纵向移动滑块、纵向移动滑块锁紧装置、相机运动角度传感器、相机固定支架、相机固定螺钉、相机、实验段、试验模型、试验模型电机、试验模型角度传感器、涡轮螺杆机构、六轴力传感器以及试验模型运动传动模块。

横向移动支撑板安装在实验段的上方，横向移动支撑板下方安装有横向连接板，横向连接板与横向移动支撑板之间设有滑块，并通过滑块固定螺栓进行位置固定；横向连接板下方垂直固定安装纵向移动螺纹杆，纵向螺纹杆上安装有纵向移动滑块，纵向移动滑块上设有纵向移动滑块锁紧装置；纵向移动滑块上安装设有电机支撑架，电机支撑架上安装有相机电机，相机电机的输出轴上安装有相机固定支架，相机固定支架与相机电机之间设有相机运动角度传感器，相机固定支架远离相机电机的一侧通过相机固定螺钉安装有相机；相机的镜头对准实验段；实验段后侧设有试验模型电机，试验模型电机通过联轴器与涡轮螺杆机构连接；涡轮螺杆机构远离实验段的一侧安装有试验模型角度传感器，涡轮螺杆机构的另一侧安装有试验模型运动传动模块，试验模型运动传动模块与涡轮螺杆机构之间设有六轴力传感器，试验模型运动传动模块在实验段内部安装有试验模型。

进一步地，横向移动支撑板安装在实验房间屋顶或通过连接支架进行固定，横向移动支撑板根据实验需求，进行位置移动。

进一步地，横向移动支撑板上设有两列导轨，导轨内部安装滑块，实现横向连接板的横向移动。

进一步地，相机固定支架呈L型，相机固定支架上设有与相机固定螺钉配合安装的通孔。

进一步地，试验模型电机和涡轮螺杆机构放置在电机支撑架或者其他平台上。

进一步地，该系统的工作流程为：

首先根据实验需求将横向移动支撑板固定在相应位置，然后通过调节横向连接板确定相机距离试验模型的之间的距离，并通过滑块固定螺栓进行锁定。

随后通过纵向移动滑块调整相机到合适的高度，并通过纵向移动滑块锁紧装置进行锁紧。

通过系统设置试验模型的运动轨迹，并将指令发送给控制器，控制相机电机和试验模型电机转动，保证相机与试验模型的运动轨迹相同，两者处于相对静止状态，然后即可开展全流场的测量拍摄工作。

在实验中，相机运动角度传感器和试验模型角度传感器进行运动角度的实时监测，并进行反馈控制；此外还通过六轴力传感器获取试验模型的水动力特性信息。

有益效果：

本发明公开的适用于动态体系的全流场测量系统，为了解决现有技术存在绕动边界流场测量不够精确，且无法获取相对运动坐标系下流场信息的问题，通过设置相机电机和试验模型电机双向控制，实现相机和试验模型的同步运动，进而可实现在相对运动坐标系下流场信息的获取。该系统采用横向移动支撑板和纵向移动滑块，可实现相机位置的快速灵活调整，提高了实验测量效率与精度。该系统还通过设置相机运动角度传感器和试验模型角度传感器可进行运动角度的实时监测与反馈控制，确保精确运动轨迹和测量准确性。该系统可适用于各种动边界绕流问题的实验测量工作，此外基于相机和六轴力传感器能够获得的流场信息参数可指导水动力学领域的流动分析与结构设计，解决水动力学领域相关工程技术问题。

附图说明

图1是本发明公开的适用于动态体系的全流场测量系统的三维示意图；

图2是本发明公开的适用于动态体系的全流场测量系统的三维俯视图；

图3是本发明公开的适用于动态体系的全流场测量系统的三维后视图；

图4是本发明公开的适用于动态体系的全流场测量系统的主视图；

图5是本发明公开的适用于动态体系的全流场测量系统的侧视图；

图6是本发明公开的适用于动态体系的全流场测量系统的俯视图；

其中，1-横向移动支撑板，2-横向连接板，3-滑块固定螺栓，4-纵向移动螺纹杆，5-相机电机，6-电机支撑架，7-纵向移动滑块，8-纵向移动滑块锁紧装置，9-相机运动角度传感器，10-相机固定支架，11-相机固定螺钉，12-相机，13-实验段，14-试验模型，15-试验模型电机，16-试验模型角度传感器，17-涡轮螺杆机构，18-六轴力传感器，19-试验模型运动传动模块。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明公开的适用于动态体系的全流场测量系统，包括横向移动支撑板1、横向连接板2、滑块固定螺栓3、纵向移动螺纹杆4、相机电机5、电机支撑架6、纵向移动滑块7、纵向移动滑块锁紧装置8、相机运动角度传感器9、相机固定支架10、相机固定螺钉11、相机12、实验段13、试验模型14、试验模型电机15、试验模型角度传感器16、涡轮螺杆机构17、六轴力传感器18、试验模型运动传动模块19。横向移动支撑板1安装在实验段13的上方，横向移动支撑板1下方安装有横向连接板2，横向连接板2与横向移动支撑板1之间设有滑块，并通过滑块固定螺栓3进行位置固定。横向连接板2下方固定安装纵向移动螺纹杆4，纵向螺纹杆4上安装有纵向移动滑块7，纵向移动滑块7上设有纵向移动滑块锁紧装置8。纵向移动滑块7上安装设有电机支撑架6，电机支撑架6上安装有相机电机5，相机电机5的输出轴上安装有相机固定支架10，相机固定支架10与相机电机5之间设有相机运动角度传感器9，相机固定支架10远离相机电机5的一侧通过相机固定螺钉11安装有相机12。相机12的镜头对准实验段13，实验段13后侧设有试验模型电机15，试验模型电机15通过联轴器与涡轮螺杆机构17连接，涡轮螺杆机构17远离实验段13的一侧安装有试验模型角度传感器16，涡轮螺杆机构17的另一侧安装有试验模型运动传动模块19，试验模型运动传动模块19与涡轮螺杆机构17之间设有六轴力传感器18，试验模型运动传动模块19在实验段13内部安装有试验模型14。

本发明中，横向移动支撑板1安装在实验房间屋顶或通过连接支架进行固定，横向移动支撑板1可根据实验需求，进行位置移动。横向移动支撑板1上设有两列导轨，导轨内部可安装滑块，实现横向连接板2的横向移动。

本发明中，相机固定支架10呈L型，相机固定支架10上设有与相机固定螺钉11配合安装的通孔。

本发明中，试验模型电机15和涡轮螺杆机构17放置在支撑架或者其他平台上。

实施例：获取试验模型14正视方向全流场信息的测量方法：首先根据实验需求将横向移动支撑板1固定在相应位置，然后通过调节横向连接板2确定相机12距离试验模型14的大约距离，并通过滑块固定螺栓3进行锁定；随后通过纵向移动滑块7调整相机12到合适的高度，保证相机12的镜头正对着试验模型14，并通过纵向移动滑块锁紧装置进行锁紧，随后完成相机12的对焦等系列工作。通过系统设置试验模型14的运动轨迹，并将指令发送给控制器，控制相机电机5和试验模型电机15转动，保证相机12与试验模型14的运动轨迹相同，两者处于相对静止状态，然后即可开展全流场的测量拍摄工作。在实验中，相机运动角度传感器9和试验模型角度传感器16可进行运动角度的实时监测，并进行反馈控制；此外通过六轴力传感器18可获取试验模型14的水动力特性信息。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于动态体系的全流场测量系统，其特征在于，该系统包括横向移动支撑板(1)、横向连接板(2)、滑块固定螺栓(3)、纵向移动螺纹杆(4)、相机电机(5)、电机支撑架(6)、纵向移动滑块(7)、纵向移动滑块锁紧装置(8)、相机运动角度传感器(9)、相机固定支架(10)、相机固定螺钉(11)、相机(12)、实验段(13)、试验模型(14)、试验模型电机(15)、试验模型角度传感器(16)、涡轮螺杆机构(17)、六轴力传感器(18)以及试验模型运动传动模块(19)；

所述横向移动支撑板(1)安装在所述实验段(13)的上方，所述横向移动支撑板(1)下方安装有所述横向连接板(2)，所述横向连接板(2)与所述横向移动支撑板(1)之间设有滑块，并通过滑块固定螺栓(3)进行位置固定；

所述横向连接板(2)下方垂直固定安装所述纵向移动螺纹杆(4)，所述纵向移动螺纹杆(4)上安装有所述纵向移动滑块(7)，所述纵向移动滑块(7)上设有所述纵向移动滑块锁紧装置(8)；

所述纵向移动滑块(7)上安装设有电机支撑架(6)，所述电机支撑架(6)上安装有所述相机电机(5)，所述相机电机(5)的输出轴上安装有所述相机固定支架(10)，所述相机固定支架(10)与所述相机电机(5)之间设有相机运动角度传感器(9)，所述相机固定支架(10)远离所述相机电机(5)的一侧通过相机固定螺钉(11)安装有所述相机(12)；

所述相机(12)的镜头对准所述实验段(13)；

所述实验段(13)后侧设有试验模型电机(15)，所述试验模型电机(15)通过联轴器与所述涡轮螺杆机构(17)连接；

所述涡轮螺杆机构(17)远离所述实验段(13)的一侧安装有所述试验模型角度传感器(16)，所述涡轮螺杆机构(17)的另一侧安装有所述试验模型运动传动模块(19)，所述试验模型运动传动模块(19)与所述涡轮螺杆机构(17)之间设有六轴力传感器(18)，所述试验模型运动传动模块(19)在所述实验段(13)内部安装有试验模型(14)。

2.如权利要求1所述的一种适用于动态体系的全流场测量系统，其特征在于，所述横向移动支撑板(1)安装在实验房间屋顶或通过连接支架进行固定，所述横向移动支撑板(1)根据实验需求，进行位置移动。

3.如权利要求1所述的一种用于动态体系的全流场测量系统，其特征在于，所述横向移动支撑板(1)上设有两列导轨，所述导轨内部安装滑块，实现所述横向连接板(2)的横向移动。

4.如权利要求1所述的一种适用于动态体系的全流场测量系统，其特征在于，所述相机固定支架(10)呈L型，所述相机固定支架(10)上设有与所述相机固定螺钉(11)配合安装的通孔。

5.如权利要求1所述的一种用于动态体系的全流场测量系统，其特征在于，所述试验模型电机(15)和所述涡轮螺杆机构(17)放置在电机支撑架(6)或者其他平台上。

6.如权利要求1所述的一种用于动态体系的全流场测量系统，其特征在于，该系统的工作流程为：

首先根据实验需求将横向移动支撑板(1)固定在相应位置，然后通过调节横向连接板(2)确定相机(12)距离试验模型(14)的之间的距离，并通过滑块固定螺栓(3)进行锁定；

随后通过纵向移动滑块(7)调整相机(12)到合适的高度，并通过纵向移动滑块锁紧装置进行锁紧；

通过系统设置试验模型(14)的运动轨迹，并将指令发送给控制器，控制相机电机(5)和试验模型电机(15)转动，保证相机(12)与试验模型(14)的运动轨迹相同，两者处于相对静止状态，然后即可开展全流场的测量拍摄工作；

在实验中，相机运动角度传感器(9)和试验模型角度传感器(16)进行运动角度的实时监测，并进行反馈控制；此外还通过六轴力传感器(18)获取试验模型(14)的水动力特性信息。